夯擴擠密渣土樁在雜填土中的加固機理分析及應用

肖西衛，沈宇鵬，陳萬成，范玥輝，蔡小培

(1.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點實驗室，北京100044;4.北京鐵路局質量監督站，北京100860)

夯擴擠密渣土樁在雜填土中的加固機理分析及應用

肖西衛1，沈宇鵬2，3，陳萬成2，范玥輝4，蔡小培2，3

(1.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點實驗室，北京100044;4.北京鐵路局質量監督站，北京100860)

雜填土成分和工程性質復雜，若處理不當會因不均勻沉降造成其上構筑物的破壞。論文以位于垃圾填埋區域的鐵路站場工程實例為背景，研究渣土樁加固雜填土地基的作用機理，并通過與雜填土注漿處理方案對比，分析兩種方案地基處理前后的沉降量、承載力、動彈性模量等技術指標。結果表明:采用夯擴渣土樁承載力提高達2倍，動探擊數提高2.5倍，動彈性模量平均提高1.2倍，而注漿處理效果并不明顯，這說明渣土樁在處理大面積雜填土地基中具有良好的適用性。

雜填土 渣土樁 加固機理 注漿 地基承載力 動彈性模量

隨著經濟一體化大格局的形成、城市規模也在不斷擴大，生活垃圾也在不斷增加。然而大多數發展中國家采取露天堆放、自然填溝的原始處理方式，不但污染環境，而且造成大量的土地浪費，如何處理城市建設與城市用地成為當今社會的重要課題。在垃圾填埋場等雜填土地段建設基礎設施，可以有效解決城市用地緊張的局面。目前國內對于雜填土的處理方式主要有換填法、強夯法、碎石樁及灰土樁。對于大面積深厚雜填土地基，上述方法顯得不經濟。隨著地基處理技術的發展，作為新型地基處理加固技術的夯擴擠密渣土樁應運而生，渣土樁因其材料費用低、適應性強被廣泛應用于濕陷性黃土、雜填土、含水率低的軟弱土等地基中。目前，對于雜填土的加固機理的研究還處在初級階段，應用渣土樁進行地基處理工程案例非常少，在工后沉降要求非常嚴格的鐵路地基處理中幾乎沒有使用過。由于雜填土堆積物回填時間不同、顆粒大小不均、具有較強的濕陷性，使其力學性質具有較大的離散性，給工程的設計施工帶來諸多困難。本文以某一鐵路站場地基處理為例，對夯擴渣土樁與注漿法兩種地基處理方法的效果進行對比，對不同渣土樁的設計參數進行分析，在此基礎上提出經驗性設計參數，以期為類似工程提供參考。

1 雜填土工程性質及渣土樁工作機理

1.1 雜填土工程性質

雜填土一般成分為城市生活垃圾及建筑垃圾，成分復雜，含有大量的有機及無機物質。主要特點:①成分不一，土質呈不連續和各向異性，造成雜填土的工程性質不穩定;②粒徑大小不一，孔隙率較大，導致后期的不均勻沉降大;③厚度不一，造成沉降量計算困難;④其性質隨著時間、深度和位置而改變。

雜填土的成分隨著地域和生成環境的不同而不同，處在同一地區的雜填土不同時期也存在著差異，我國目前雜填土的一般成分如表1所示［1］。可知，有機廢物占37.5%，無機廢物占62.5%。

表1 我國城市雜填土的一般成分%

1.2 渣土樁的加固機理

1.2.1 宏觀機理分析

夯擴擠密法通過重錘對填入孔內的建筑垃圾等填料分層強夯來成樁。首先在地基中進行成孔，將建筑垃圾等填料填入樁孔底部，重錘在一定高度自由下落產生高動能，對填料進行砸、沖、擠，樁體在錘擊作用下底部不斷擠壓樁周，樁間土被擠壓密實，地基土發生了從置換到擠密再到固結的變化。土體在沖擊作用下向孔四周擠壓，樁間土逐漸被擠密，分層夯實，如此重復，樁間土不斷受到擠壓，從而將地基加固，渣土樁與有一定強度的樁間土共同形成復合地基［2］。

由于樁徑相對較小，在相同夯錘重和落距的條件下，孔內單位面積內夯擊能量比強夯法大得多，因而地基的加固效果也較強夯明顯。重錘高空落下產生的沖擊能使土體產生塑性變形，從而改善雜填土的變形特征，提高土體的密實度及抗剪強度。

除了重錘的沖擊使樁體密實，由于力的相互作用，在樁對樁周產生擠壓力的同時，樁周土對樁體也同樣產生約束作用，導致樁體既有剛性樁的特性，也有柔性樁的特性。雜填土場地建筑垃圾、生活垃圾混雜在一起，形成非均勻的土質，呈現出不均勻的層狀分布。對于像雜填土這類軟硬不均、分層不均的土體，樁體在重錘夯擊的過程中，會形成串珠體，將樁體與樁周土緊密咬合，從而加強了樁體的側向摩阻力，并且隨著重錘的不斷夯擊，層與層之間相互滑動錯位，影響的范圍不斷增加。處理后的復合地基不僅剛度均勻，而且承載力顯著提高。

1.2.2 微觀機理分析

重錘夯擊產生的瞬時沖擊波從夯擊點往四周擴散，在傳播過程中不斷擾動土體，使土體顆粒逐漸密實，孔隙率降低，土體變得更加緊密，填料顆粒接觸面增大，增大了黏聚力，提高了內摩阻力，減小了形變，從而快速高效地達到擠密填料的目的。

沖擊波在土體顆粒介質中不斷往外擴散，在沖擊能的作用下土體顆粒發生錯位和移動，往復的沖擊使土體顆粒聚合。在錘擊過程中，土體顆粒首先以就近聚合為主，隨著夯擊次數的增多，進一步聚合使夯實后的土體顆粒重新排列，比夯擊前更為緊密，土體中較小的土粒在擠壓作用下沿大顆粒環向平行排列而形成旋渦狀結構。這種結構的存在是夯擊后土體的工程力學性質得到改善的根本原因，同時孔隙率也顯著減小，土顆粒接觸面積增大［3］。

土體密實主要是由于重錘的沖擊作用，土體顆粒克服了其間的摩阻力，重新排列為更為緊密的結構，破壞了顆粒之間的架空結構，減小了孔隙。同時在沖擊作用下小顆粒填充到大顆粒之間，使土體更加密實，結構更加穩定。地基的沉降變形也由大變小，逐漸降低，最后趨于穩定，地基土則由塑性狀態轉為彈塑性狀態，最后接近于彈性狀態。

2 工程案例

站場地處厚層雜填土中，該區域多年生活垃圾、建筑垃圾堆積，造成埋深較大，且深度隨地勢而改變，最深處達到8 m左右，平均深度為6 m。由于雜填土的特殊性，且渣土樁沒有規范可循，因此需要通過現場試驗來提出相應的設計參數。設計單位擬定了兩個地基加固方案，擬通過試驗，以樁間距、沉降量、橫縱波為地基加固效果的評價指標，擇優選取加固方案。

2.1 處理方法

A，B兩區雜填土的成分見表2。A區雜填土厚度6.4 m，B區雜填土厚度6.2 m。分別在這兩區采用注漿和渣土樁兩種地基處理方法，將A區又劃分為不同注漿壓力的兩個亞區，B區又劃分為不同樁間距的三個亞區。試驗區的平面布置見圖1。

表2 A、B區雜填土成分含量%

圖1 試驗區平面布置

2.2 試驗方法

在地基試驗前后，分別對2個試驗區進行了動力觸探試驗、單樁靜載荷試驗和波速測試獲取對應的力學指標，對比其處理效果。

2.2.1 注漿試驗(A區)

對A區采用2 MPa和5 MPa兩種注漿壓力進行注漿加固。設計參數如下:注漿孔直徑110 mm，深度10 m，全孔注漿，漿材配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶水玻璃=1∶0.6∶0.4∶0.05，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度38～43 Be'，細度模數2.4～3.4。

注漿結束的標志:地面冒漿或者地面發生隆起或龜裂。注漿時先邊排、后中排，間隔跳躍式進行。注漿前做好孔口的止漿工作，在注漿過程中對地表及附近建筑物進行變形監測。注漿過程中發現壓力突然下降、流量突然增大時，應立即停止，檢查是否冒漿跑漿，速度控制在30～50 L/min。

2.2.2 渣土樁試驗

對B區采用不同樁間距進行渣土樁加固。試驗樁長9 m，樁徑0.5 m，按照1.6，1.8和2.0 m三種樁間距等邊三角形布樁，每種樁間距大致布置50根。采用長5 m，直徑0.335 m的柱狀重錘擴樁機。提升高度控制在8～10 m，填料采用建筑垃圾，最大粒徑不超過15 cm，每次填料的厚度控制在50 cm，填料每次夯擊2～3次，貫入變形最后一擊控制在20 cm以內。

2.3試驗結果與分析

2.3.1 動探試驗

在A，B區不同注漿壓力和不同樁間距試驗前后各鉆了1個動探孔分別進行對比。做動探試驗時，保證重錘沿導桿垂直下落，錘擊頻率控制在20擊/min，現場實測數據需要做深度修正。A，B區試驗前后動探擊數的對比曲線見圖2。

圖2 A，B區試驗前后動探擊數的對比曲線

由圖2(a)可見:不同的注漿壓力對地基土的加固效果并沒有明顯的差別，但是同處理前相比，注漿對地基土的加固效果有明顯提高，在5 MPa注漿壓力下，2～5 m深處動探擊數較處理前提高約100%，隨著穿過雜填土段，與處理前相比提高效果變得不明顯，但是注漿后雜填土以下的地基土承載力還是有所提高。這是因為漿液通過土體的孔隙進入下層土體，與土體凝結成為整體，起到了提高地基承載力的作用。

由圖2(b)可見:采用不同樁間距加固處理后地基土的承載力有著較大的區別，其中1.6 m樁間距的處理效果最好，2.0 m樁間距的處理效果最差，地基表層加固效果與處理前基本無差別，主要是因為表層土體沒有約束，土體顆粒會向上移動，致使加固效果不明顯。隨著深度的增加，加固效果越來越明顯。在3 m深度時效果最為明顯，渣土樁處理后動探擊數提高了200%以上，注漿處理后動探擊數提高了75%左右。在6.4 m深度以下，由于穿過了雜填土層，動探擊數趨于相同。根據《鐵路工程地質原位測試規程》中依據動探擊數推算地基承載力的方法，可求得處理前地基承載力為90 kPa，注漿處理后為180 kPa，渣土樁處理后為250 kPa。總體而言，渣土樁處理此類地基土的效果優于注漿。

2.3.2 單樁靜載荷試驗

采用平板載荷試驗測定試驗區的地基承載力，在A，B區分別采用不同的注漿壓力和不同的樁間距進行地基處理，并對每個亞區進行單樁靜載試驗。選取50 cm×50 cm的剛性承壓板，在安裝之前整平板下的試坑面，使承壓板與試坑面均勻接觸，逐級加載。沉降曲線見圖3。

圖3 A，B區加固處理后P-S曲線對比

由圖3(a)可見，A區荷載加載到200 kPa左右，P-S曲線開始出現明顯的拐點，隨后沉降明顯增大，說明地基土開始破壞。注漿壓力大小并沒有對加固效果產生明顯影響。主要是因為雜填土內的孔隙相互貫通，孔隙率很大，漿液不需要很大的壓力就能夠貫穿于整個土體中。

由圖3(b)可見，B區樁間距1.6 m和1.8 m的區塊內加荷至275 kPa時，地基土未出現破壞現象，且未出現明顯的拐點和陡降段，P-S曲線為一條完整連續的平緩光滑曲線。樁間距2.0 m區塊加荷至225 kPa時出現拐點，說明地基出現破壞。

2.3.3 波速測試

波速測試是通過測試巖土彈性波速度，用以確定與波速相關的巖土參數，檢驗巖土加固與改良效果的一種原位測試方法。根據實測獲得的彈性波速(剪切波速和壓縮波速)，即可計算土體的動彈性力學參數，為工程設計提供參考［4］。計算公式為［5］

式中:μ為泊松比;VP為壓縮波速度，m/s;VS為剪切波速度，m/s;ρ為介質密度，g/cm3;Ed為動彈性模量，GPa;Gd為動剪切模量，GPa。

地基土的動彈性模量是在動荷載作用下應力與應變比值。其值越大，表明在相同的荷載作用下，其變形越小，可反映地基的固結效果。通過現場測得的波速可求得地基土體處理前后的動彈性模量，見圖4。由圖可見，地基經過處理后動彈性模量有了明顯的提高，平均提高120%左右，在深度為3～4 m時提高最大，能夠達到200%。穿過雜填土后，動彈性模量的增長速度開始變緩，趨于處理前的地基土。同時，動彈性模量的增長也說明施工后地基在上部列車等動荷載的作用下，其彈性變形量也會減小。

圖4 渣土樁加固地基前后動彈性模量對比

3 結論

對雜填土的工程性質和渣土樁的加固機理進行了分析，并結合試驗現場測試結果得出以下結論:

1)樁間距1.6 m的渣土樁對地基加固效果較好，動探擊數提高了2倍左右，而注漿只提高1倍左右。渣土樁單樁承載力是注漿的1.5倍。

2)雜填土成分復雜，內部孔隙較多且相互貫通，無規律性，不同地段差異較大，全區域注漿注漿量大，指標難以控制，同時加固效果不明顯，注漿法不適宜深厚雜填土地基的處理。

3)渣土樁可以很大程度提高雜填土的地基承載力，改善土體的性質，土體動彈性模量與處理前相比平均提高120%左右，適合處理深厚大面積的雜填土。

［1］王德寶，胡瑩.我國生活垃圾組成成分及處理方法［J］.環境衛生工程，2010，18(1):40-44.

［2］任振甲.重錘沖孔夯擴垃圾擠密樁復合地基的設計與施工問題［J］.建筑技術，1998(3):145-152.

［3］陳志敏，劉國伍.人工神經網絡用于夯擴擠密復合樁地基設計的可行性分析［J］.巖土工程技術，2001(4):305-309.

［4］焦瑞玲，吳連海，崔維孝，等.北京高速鐵路動車段垃圾填埋場地基處理現場試驗研究［J］.鐵道標準設計，2009(2):76-80.

［5］蔡立挺，韓玉慶.波速測試技術在巖土工程勘察中的應用［J］.西部探礦工程，2009(3):32-37.

Analysis on reinforcing mechanism of miscellaneous fill including sediment ramming squeezing piles and application in practice

XIAO Xiwei1，SHEN Yupeng2，3，CHEN Wancheng2，FAN Yuehui4，CAI Xiaopei2，3
(1.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering，Beijing 100044，China;4.Supervision Station of Quality，Beijing Railway Administration，Beijing 100860，China)

M iscellaneous filled soil，with complex composition and engineering performance，is prone to induce uneven settlement or even the damage of the upper structure.Under such background，the paper takes reference from a railway station and yard project that takes place at a waste landfill area，and looks into the application of slag pile and its mechanism in the reinforcement of miscellaneous filled foundation.T he paper then compares its reinforcement results with that of grouting treatment，and introduces the technical index of settlement，bearing capacity and modulus of dynamic elasticity to analyzes the before and after performances of both schemes.T he results indicate that thanks to the application of compaction slag piles，the foundation delivers twice the bearing capacity，2.5 the dynamic penetration performance and an average of 1.2 the modulus of dynamic elasticity.On the other hand，grouting treatment fails to improve the foundation visibly，therefore it can be said that slag pile stands as a preferable choice in the reinforcement of large-scale miscellaneous filled foundation.

M iscellaneous filled soil;Slag pile;Reinforcing mechanism;Grouting;Bearing capacity of foundation; M odulus of dynamic elasticity

TU472.3+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.29

1003-1995(2015)05-0118-04

(責任審編葛全紅)

2014-04-08;

2015-03-20

國家自然科學基金項目(41271072);中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G009-G);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014JBZ012)

肖西衛(1975—)，男，河南洛陽人，高級工程師，碩士。